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燃气用PE管水平定向钻进若干问题探讨

燃气用PE管水平定向钻进若干问题探讨 2011年12月12日 来源： PE管材因其固有的诸多优点，被广泛地应用于燃气工程。传统敷设PE管材均是采用开挖的方法，对城市交通、环境等带来不良影响。而PE管水平定向钻进技术的发展，可以很好地解决这个问题。该技术相对于钢管定向钻施工技术起步较晚，相关标准目前也不够完善，因此对该技术的探讨也持续不断。本文从对回拉PE管材受力分析的角度，提出一些改进PE管水平定向钻进技术的措施，并列举了该技术存在的问题。1 定向穿越回拉过程中总的回拉力在PE管材回拉过程中，管材承受摩擦拖动阻力(由管材和钻孔或泥浆之间的摩擦拖动、地面上的摩擦拖动产生)、沿钻道弯曲产生的“绞盘力”、流体动力学拖力产生的流体阻力等。根据美国塑料管协会PPI资料，其受力计算公式如下：Fp=fWBL(1)式中Fp——摩擦拖动阻力，Nf——管材与钻探泥浆之间的摩擦系数(一般取0.25)或管材与地面之间的摩擦系数(一般取0.40)WB——单位长度管材竖直方向上的合力，N/mL——管材长度，mFc=efβfWBL式中Fc——绞盘力，Ne——自然对数的底数，e=2.71828β——管材的弯曲角度，rad

式中FHK——流体阻力，Np——流体压力，PaDH——钻孔直径，mDOD——管材外径，mFT=Fp+Fc+FHK(4)式中FT——总回拉力，N2 轴向拉伸应力及扭应力① 轴向拉伸应力实际考虑问题时，应保证最大的轴向拉伸应力不超过管材的安全拉伸强度。最大的轴向拉伸应力等于由回拉摩擦拖动阻力、流体阻力在管材中产生的拉伸应力和由于管材弯曲产生的弯曲拉伸应力的总和。根据美国塑料管协会PPI资料，回拉过程中管材壁中的拉伸应力计算公式如下：

式中σT——轴向拉伸应力，Paδ——管材壁厚，mET——随时间变化的拉伸模量，PaR——管材在钻孔中的弯曲半径，m② 扭应力[1]在扩孔和回拉阶段，可采用一个分动器(或称旋转接头)将旋转的扩孔钻头与被拉的管材隔开，减小扭应力。对于SDR值等于7～17的厚壁高密度PE管，由于使用了分动器，使得管材上的扭应力很小，不需进行详细的工程分析。3 PE管定向钻进施工中宜采取的优化措施① 减小f减小摩擦系数厂，即要在施工中减小管材与地面及钻壁泥浆之间的摩擦，采取的方法有：a.地面上管道放在滚轴上拖动，既可防止管壁损伤又可减小摩擦阻力。b.钻进线路尽量笔直。c.尽量采取连续回拖(只需克服动摩擦力)，减少间断回拖(需克服最大静摩擦力)。d.回拉过程中注意保持稳定的泥浆环流。e.保证在泥浆固化之前完成回拉任务。f.合理选用泥浆，确保钻孔不塌陷，以减少在回拖过程中管道上的摩擦阻力。泥浆的配制在各个阶段应有不同的侧重点，在扩孔回拖阶段要求泥浆应具有很好的护壁、携带能力，同时还应有很好的润滑能力，以减小摩擦阻力和力矩。② 减小WB在钻孔无塌陷、不存在土柱载荷的情况下，WB主要指管材自身重力及其在钻孔中受到浮力的合力。因高密度PE管的密度与水相近，如果采取封闭的拉管头进行“干法”敷管，管柱会上浮至钻孔的上方，由于浮力以及润湿性的黏土与管间的摩擦，管柱将受到侧向载荷和摩擦阻力的作用。如果采用开式拉管头进行“湿法”敷管，管柱中会充满水(钻进泥浆更好)，受到的竖直方向上的合力会急剧降低，总摩擦力可降低到低于PE管柱重量的10%[1]。因此，为减小WB，实际上采用湿法钻进更为合理。但对于输送燃气用PE管材而言，一般情况下管径较小，因此在钻孔中所受到的浮力也不会很大，并且采用湿法钻进施工完毕后还需要对管材内部进行处理，所以在确保总拉伸应力小于管材安全拉伸强度的情况下，建议尽可能采用干法拖管。③ 减小β(即增大R)减小β，在工程实践中主要表现为对入、出土角α1、α2的控制，α1、α2愈小，β愈小。本文建议按图1所示方案，在场地允许的情况下，合理选择工作坑的位置，尽量利用开挖距离较长的下管工作坑替代第二曲线段(PE管曲率半径≥125倍的管材外径)，使α2约等于零，在出土工作坑内的管材拉伸应力即可减至最小。影响管材拉伸应力的就只有第一曲线段了，入土角取决于钻杆曲率半径(≥75m)[2]，按曲率半径75m计算的α1约为20°，因此本文建议合适的α1取值宜为0°～20°[3]。

④ 减小p及DH流体压力p与泥浆黏度及其流量有较大关系。在定向钻施工中，泥浆黏度具有重要意义，施工现场每2h应对泥浆黏度观测一次。此外，按美国塑料管协会PPI资料，建议回拉速度为5.08～10.16mm/s，据此还应合理选择泵的输送量，并采用匀速拉管，以保持稳定的泥浆环流，这样可避免出现孔内瞬间真空现象从而造成孔内坍塌。按上述要求控制好泥浆黏度及其流量，即可减小p的影响。扩孔直径DH不是越大越好，只要能使钻孔容纳所要敷设的管道即可，从减小流动阻力方面来看，DH也是愈小愈好。扩孔直径还应根据地层条件和管道类型确定，对于回拉PE管材而言，扩孔直径宜为敷设管道外径的1.2～1.5倍，也可按表1选用[3]。

表1 管道直径和钻孔直径的关系

4 对回拉管材长度及回拉时间的控制以上针对如何减小管材的拉伸应力作了分析。即使满足了上述条件，还应关注回拉管材长度及回拉时间对拉伸应力的影响。由公式(1)至(4)可知，总回拉力近似为管材长度的线性函数，因此要使总拉伸应力不大于管材的安全拉伸强度，就要保证回拉管材的长度在一定范围内。上述公式均为理论上的近似计算公式，实际施工中钻机拖力的大部分被施加到扩孔设备、工具的切削面上，很难预测总的回拉力中的多大比例传递到被回拖的管线上，因此如何让总拉伸应力在要求的范围内以确保回拉管材安全，是工程实践中必须解决的问题。本文推荐使用软接头的办法，即在回拉管线前端接入一段软接头，见图1。该软接头预设的断开拉力应小于被拉管材的安全载荷，此安全载荷按CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》的要求，相应拉伸应力限值取管材屈服拉伸应力的50%。增加软接头后，无论发生什么情况，都能确保管材的拉伸应力在要求的范围内。由于PE管材具有蠕变特性，即PE管的安全牵引载荷与时间有关，在短时间内作用属安全载荷，对于长时间的拉管施工未必合适。轴向拉伸应力沿着拉管长度增加，在拖拉头部的拉伸载荷作用时间最长，管材尾部受力为零，受力时间也为零。若能在24h内完成回拖任务，一般能保证拖拉头伸长较少，避免PE管线的破坏。美国塑料管协会PPI资料提供了燃气PE管材允许的安全牵引载荷(安全回拉力)，部分数据见表2。PE管材在回拉完成后，其弹性应变会很快恢复，粘弹性伸长将会记忆住敷设管段的原始长度。过一夜后，伸长恢复和温度达到平衡状态的热收缩可能会导致拖拉头退回到钻孔出口内。为防止这种现象的发生，在回拉完成后还应将管头拉出一段长度，约为管材总长度的3%。还可以对多拉出来的管材在清洗后检查是否产生刮痕，检查标准按CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道T程技术规程》的第5.1.1条，管材表面划伤深度不应超过管材壁厚的10%。

表2 HDPE管材的安全牵引载荷(24h)

5 存在问题及建议5.1 存在问题尽管PE管定向钻施工技术已发展多年，但由于缺乏相关的规范标准，目前对PE管定向钻进工程的设计、施工及质量的评判只能参考相关标准执行。但在实际工作中参考这些相关规范时却发现有一些矛盾之处，列举如下：①按CJJ 33-2005《城镇燃气输配T程施工及验收规范》第2.5.1条及CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》第6.2.6条的要求，埋设燃气管道的沿线应设计示踪线(带)和警示带。定向钻进施工中解决示踪线(带)的问题比较容易，只要将示踪线用胶带捆绑后随管回拉即可，但对于警示带的敷设却无法实施。虽然定向钻进的PE管埋地较深(多为3～5m)，但现行标准并未明确较大埋深的燃气管道是否可以取消警示带敷设。② CJJ 33-2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》第7.1.11条和CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》第7.1.2条，均要求PE管材在回拉前应预先对连接好的管段进行强度和严密性试验。但在实际施工过程中，受场地影响，对回拉管道预先连接确有困难(除非采用盘管敷设)，工程实践中只能采取分段焊接、分段回拉的方法完成施工任务，因此无法预先进行强度和严密性试验。③ CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》第6.2.7条提供了计算PE管材允许回拉力的公式，表示回拉力只与管径及壁厚有关，实际上该公式忽略了PE材料的差异性以及PE管材的蠕变特性等因素的影响，因此采用该公式计算具有一定的片面性，需进一步修正。5.2 建议燃气用PE管定向钻进施工中还存在凝水缸如何设置、分段焊接回拉施工过程中如何加设套管、局部地段的管基如何处理、以及对地下水的腐蚀性评价(尤其对温泉地带)等诸多问题，需要业内人士共同研究并探讨。建议应尽快出台有关燃气用PE管定向钻进施工的专业性规范，以改变目前设计、施工及验收无据可依的局面，进而推进该项技术在燃气工程中的发展及应用。参考文献：[1] 斯维特利克H E(著)，张伟(译).定向钻进铺管施工用高密度聚乙烯管的设计准则[J].岩土钻凿工程，1998，(2)：66-73.[2] 于文才.聚乙烯(PE)管应用于定向钻的探讨[J].上海煤气，2006，(5)：16-17.[3] DBJ 13-102-2008，水平定向钻进管线铺设工程技术规程[S].(end)

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